Lorsque les scientifiques veulent étudier le très ancien passé géologique de la Terre, généralement supérieur à 100 millions d'années, ils se tournent souvent vers des roches appelées carbonates.

carbonates de calcium, les formes de carbonate les plus répandues, sont des minéraux qui précipitent de l'eau de mer et forment des dépôts sédimentaires en couches sur le fond marin. Ils sont communément appelés calcaires. Plus de 3,5 milliards d'années de l'histoire de la Terre sont relatées dans les roches carbonatées. De nombreux scientifiques les utilisent pour reconstituer l'histoire des changements climatiques et du cycle mondial du carbone passé, c'est-à-dire le processus par lequel le carbone se déplace entre les océans, l'atmosphère, la biosphère et la roche solide.

"Vous pouvez apprendre beaucoup des carbonates, " a déclaré Emily Geyman, diplômé de Princeton en géosciences en 2019 et auteur principal d'un article publié le 8 novembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ). L'article était le résultat de la recherche de thèse principale de Geyman dans laquelle elle a étudié la composition chimique des carbonates et comment ces carbonates enregistrent le cycle du carbone.

"Ce qui rend les carbonates particulièrement utiles par opposition à quelque chose comme un grès, " Geyman a dit, "est que le carbonate est précipité directement de l'eau de mer, donc l'idée est que la chimie des carbonates, que l'on peut mesurer, nous dira quelque chose sur l'ancien océan."

Mais tous les carbonates ne sont pas conservés dans les archives géologiques. Carbonates des grands fonds, par exemple, sont généralement subjugués, c'est pourquoi les scientifiques se tournent souvent vers les carbonates qui s'accumulent sur les plateaux continentaux peu profonds. Le problème, cependant, est que les scientifiques n'en savent toujours pas assez sur la façon dont des propriétés telles que la chimie des océans, température de l'océan, l'énergie des vagues et la profondeur de l'eau sont traduites dans le record de carbonate peu profond.

Maintenant, cependant, les chercheurs de Princeton s'efforcent de répondre à cette question.

"Personne n'avait réellement regardé l'équivalent de ces calcaires anciens qui se forment aujourd'hui et n'en a compris la traduction, " dit Adam Maloof, un professeur de géosciences qui a collaboré à l'article avec Geyman. "C'est comme essayer de traduire de vieux textes sans pierre de Rosette. Nous avions besoin de notre pierre de Rosette."

Non seulement les chercheurs ont trouvé leur pierre de Rosette sous la forme d'une hypothèse innovante, mais leurs découvertes remettent en question la logique conventionnelle de l'utilisation des carbonates pour reconstruire les cycles mondiaux du carbone passés.

"L'une des mesures les plus courantes que nous effectuons à partir de carbonates anciens est la composition isotopique du carbone, " a déclaré Geyman. " Et nous relions la composition isotopique du carbone aux perturbations globales du cycle du carbone. "

L'étude des isotopes anciens - différentes formes du même élément - est une clé pour comprendre à quel point et pourquoi le cycle mondial du carbone de la Terre a changé dans le passé. Ceci est crucial car le cycle du carbone agit comme un thermostat pour réguler la température de la Terre, dit Malof. Comprendre le fonctionnement de ce thermostat nous aidera à prévoir les futurs changements climatiques.

Leurs recherches les ont emmenés sur l'île d'Andros aux Bahamas, une grande île presque entièrement inhabitée située sur le Great Bahama Bank.

Les Bahamas sont un endroit idéal pour étudier l'ancien passé géologique de la Terre. "Pendant une grande partie de l'histoire de la Terre, " Geyman a dit, "Une grande partie de la surface de la Terre ressemblait aux Bahamas aujourd'hui."

L'objectif était de comprendre comment la chimie de l'eau contrôle la chimie de la roche - en gros, comment les isotopes du carbone sont enregistrés dans les contextes contemporains et ce que cela pourrait dire sur le cycle du carbone passé.

"Si vous voulez comprendre à quoi ressemblaient le niveau de la mer et la chimie de l'eau de mer en examinant les anciens carbonates, " Geyman a dit, "vous devez aller à l'analogique moderne et demander" eh bien, Comment les carbonates modernes se forment-ils actuellement selon la chimie océanique actuelle et le niveau de la mer actuel ?""

Ce qu'ils ont trouvé, et ce que les études précédentes ont démontré, était que quelque chose d'étrange se passait dans les sédiments des Bahamas. Le calcaire qui s'y formait contenait du carbone 13 qui semblait beaucoup trop élevé par rapport au plancton unicellulaire qui flottait tout autour de l'océan.

Un grand pourcentage d'anciens carbonates démontrent également ce carbone-13 anormalement élevé. Si vous supposez que cela reflète les conditions océaniques mondiales, Maloof fit remarquer, "Vous êtes coincé à faire des déductions drastiques sur les grands changements dans le cycle du carbone."

Au lieu, Geyman et Maloof ont conçu une hypothèse qu'ils appellent le "moteur à cycle diurne du carbone". Comme le nom l'indique, le processus implique un cycle de 24 heures. Quand le soleil brille pendant la journée, les plantes aquatiques tirent le carbone 12 de l'eau par le processus de photosynthèse et l'utilisent pour fabriquer du matériel végétal. Parce que les plantes prennent préférentiellement du carbone-12, le carbone restant dans l'eau s'enrichit en carbone-13.

Le composant essentiel de ce processus est que le calcaire se forme le plus rapidement pendant le pic de la journée lorsque la photosynthèse se produit, car la photosynthèse rend l'eau plus saturée en carbonate de calcium. La nuit, la photosynthèse laisse place à la respiration aérobie et le carbone séquestré dans les tissus des plantes est restitué à l'eau. Mais la formation calcaire "n'a presque aucune trace" de la nuit, Malof a dit, because there's very little precipitation. If precipitation occurred equally during the night, the average level of carbon-13 would be normal because carbon-12 would be introduced back to the system.

This process, the researchers assert, can only happen when the water is sufficiently shallow and protected on continental shelves and platforms like the Bahamas. The same diurnal process occurs in the open ocean, but the movement of the waves constantly mixes and brings in new water so that carbon-13 is never elevated to such extremes.

The particular way Bahamian sediments absorb calcium carbonates from seawater complicates the picture of using ancient limestones to record a global carbon cycle. It can't be assumed that there was a single, uniform process of carbon cycling that characterized the past, Maloof said.

"We're using a modern analog to study the past, " Geyman added, "and the past is the key in many ways to understanding the future."

Geyman currently is pursuing a master's with a focus on glaciology at the University of Tromsø in Arctic Norway as part of a Sachs Global Fellowship from Princeton.

She conducted her Bahamas work as part of her junior and senior independent work at Princeton. An accomplished young scientist, she has already been the recipient of numerous awards and accolades. She received the Peter W. Stroh '51 Environmental Senior Thesis Prize, the Calvin Dodd MacCracken Award from Princeton's School of Engineering and Applied Science and the Edward Sampson 1914 Award for distinguished work in environmental geoscience.

Maloof has high praise for Geyman. "She can do anything, " he said. "Most of the time the really good observers do field work … they're not at the same time computer scientists who can make amazing analyses. And she is both."

Le papier, "A diurnal carbon engine explains 13C-enriched carbonates without increasing the global production of oxygen, " by Emily Geyman and Adam Maloof, was published online Nov. 8 in the Actes de l'Académie nationale des sciences